Forschung

Leuchtende Nachtwolken und mesosphärische Radarechos

Die Mesopausenregion ist so kalt, dass das kleine Vorkommen an Wasser zu Eiswolken gefrieren kann. Sie geben gelegentlich Anlass zu spektakulären Himmelserscheinungen und werden leuchtende Nachwolken genannt (manchmal auch Polare Mesosphärische Wolken). Die Instrumente des IAP sind darauf ausgerichtet, diese Phänomene mit Laser- und Radarsystemen abzutasten.

Das zurückgestreute Licht und Radiowellen können zusammen interpretiert werden, um die Anzahl und Größe der Eiskristalle sowie ihre Ladung und Zusammensetzung abzuleiten. Obwohl die Eisteilchen nur rund 50 nm groß sind, kann man sie als leuchtende Nachtwolken in rund 83 km Höhe im Sommer mit Lidars und Radars messen, aber auch mit dem bloßen Auge beobachten. Mit Radars findet man ähnliche Schichten auch im Winter, allerdings sind für diese Echos turbulente Bewegungen geladener Teilchen maßgeblich. Da die Mesopausenregion ein bevorzugter Ort für Schwerewellenbrechen ist, suchen wir momentan nach einer theoretischen Begründung für den kausalen Zusammenhang.

Im Jahr 2019 wurden sehr helle und zahlreiche leuchtende Nachtwolken über Norddeutschland mit den IAP-Instrumenten nachgewiesen. Ein Teil der Eiswolken konnte sogar aus ungewöhnlich weit südlichen Breiten über Spanien beobachtet werden, wo das IAP am Calar Alto Observatorium (37◦N, 3◦W) eine automatische NLC-Kamera betreibt (Foto: Gerding et al., 2021).

Vergleich der Schichtdicken aus gleichzeitigen Messungen von NLC und MSE über Kühlungsborn (Gerding et al., 2018). Die Schichtdicken sind mit im Mittel 1,35 km (NLC) und 1,89 km (MSE) relativ ähnlich, während in polaren Breiten über ALOMAR die PMSE meist mehrere Kilometer dicker sind als die gleichzeitigen NLC (vgl. Kaifler et al., 2011). Dies deutet darauf hin, dass die Eisschichten in mittleren Breiten meist älter und damit aus dem Norden herantransportiert sind, während in polaren Breiten vielfach auch frisch gebildete Eispartikel beobachtet werden.

In Kombination mit Modellsimulationen haben die drei Abteilungen gemeinsam eine Menge an Erkenntnissen, die in den folgenden Artikel veröffentlicht wurden. Aus Optik-, Radar- und Modellierungsabteilung kamen seit 2018:

M. Gerding, G. Baumgarten, M. Zecha, F.-J. Lübken, K. Baumgarten und R. Latteck, On the unusually bright and frequent noctilucent clouds in summer 2019 above Northern Germany, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 217, doi:10.1016/j.jastp.2021.105577, 2021.
M. Gerding, J. Zöllner, M. Zecha, K. Baumgarten, J. Höffner, G. Stober und F.-J. Lübken, Simultaneous observations of NLCs and MSEs at midlatitudes: Implications for formation and advection of ice particles, Atmos. Chem. Phys., 18, 15569-15580, doi:10.5194/acp-18-15569-2018, 2018.
M. Grygalashvyly, M. Eberhart, J. Hedin, B. Strelnikov, F.-J. Lübken, M. Rapp, S. Löhle, S. Fasoulas, M. Khaplanov, J. Gumbel und E. Vorobeva, Atmospheric band fitting coefficients derived from selfconsistent rocket-borne experiment, Atmos. Chem. Phys., 19, 1207-1220, doi:10.5194/acp-19-1207-2019, 2019.
M. Grygalashvyly, B. Strelnikov, M. Eberhart, J. Hedin, M. Khaplanov, J. Gumbel, M. Rapp, F.-J. Lübken, S. Löhle und S. Fasoulas, Nighttime O(1D) and corresponding atmospheric band emission (762 nm) derived from rocket-borne experiment, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 213, doi:10.1016/j.jastp.2020.105522, 2021.
C. Kalicinsky, D. H. W. Peters, G. Entzian, P. Knieling und V. Matthias, Observational evidence for a quasi-bidecadal oscillation in the summer mesopause region over western Europe, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 178, 7-16, doi:10.1016/j.jastp.2018.05.008, 2018.
R. Latteck, T. Renkwitz und B. Strelnikov, D region observations by VHF and HF radars during a rocket campaign at Andøya dedicated to investigations of PMWE, Adv. Radio Sci., 17, 225-237, doi:10.5194/ars-17-225-2019, 2019.
B. Strelnikov, M. Eberhart, M. Friedrich, J. Hedin, M. Khaplanov, G. Baumgarten, B. P. Williams, T. Staszak, H. Asmus, I. Strelnikova, R. Latteck, M. Grygalashvyly, F.-J. Lübken, J. Höffner, R. Wörl, J. Gumbel, S. Löhle, S. Fasoulas, M. Rapp, A. Barjatya, M. J. Taylor und P.-D. Pautet, Simultaneous in situ measurements of small-scale structures in neutral, plasma, and atomic oxygen densities during the WADIS sounding rocket project, Atmos. Chem. Phys., 19, doi:10.5194/acp-19-1-2019, 2019.
H. Wilms, M. Rapp und A. Kirsch, Reply to comment on: "Nucleation of mesospheric cloud particles: Sensitivities and limits", J. Geophys. Res., doi:10.1029/2018JA025876, 2019.N